Universität zu Köln

Zografou, Theodoros (2013). Distinct impact of CURLY LEAF and SWINGER on the Arabidopsis Histone H3 Lysine 27 trimethylation pattern is linked to the underlying genetic code. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

Polycomb Group Proteins (PcG) are a conserved class of transcriptional repressors in animals and plants, controlling the expression of hundreds of genes. Specifically, they repress gene expression by histone H3 trimethylation at lysine 27 (H3K27me3) via the Polycomb Repressive Complex 2 (PRC2). In Arabidopsis thaliana CURLY LEAF (CLF), a PRC2 methyltransferase, is partially redundant with the closely related protein SWINGER (SWN). The phenotype of clf null mutant plants is less severe than the phenotype of clf/swn double mutants. Plants that are mutated in swn exhibit no obvious phenotype. The large degree of sequence conservation of both CLF and SWN throughout the plant kingdom, suggests that they have distinct and conserved functions in plant development. I set out to identify the individual target genes of CLF and SWN and to uncover their functions. To this end, I used chromatin immunoprecipitation followed by deep sequencing to create genome-wide H3K27me3 profiles of wild type, clf and swn seedlings. The three genotypes share many H3K27me3 target regions but they exhibit partially distinct methylation profiles. In clf null mutants, H3K27me3 is significantly reduced at 643 genes, indicating that at these genes CLF is the major catalytic component of PRC2. A part of the CLF dependent genes is significantly physically clustered along chromosomes and surprisingly, 60% of CLF dependent genes contain a conserved AAACCCTA or telo box which has been previously reported to enhance transcription. Unexpectedly, reduction of H3K27me3 in clf mutant plants does not correlate frequently with an increase of gene expression. The swn mutation can either have the same effect, oppose or contribute to the effect of clf on the expression of these genes. Moreover, in swn null mutants, H3K27me3 seems to be slightly increased in 294 genes compared to wild-type. These results suggest that the interplay between CLF and SWN might be important to establish wild-type-like H3K27me3 and expression levels. Finally, in swn, expression of some CLF dependent genes changes dramatically, although H3K27me3 is unaffected. This indicates that SWN might have an H3K27me3 independent function. In short, these results demonstrate that CLF and SWN have partially distinct effects on the Arabidopsis thaliana H3K27me3 pattern and that their function is linked to the underlying genetic code. SWN might control expression in a H3K27me3 independent pathway and the interplay between CLF and SWN is presumably important to maintain establish wild-type-like H3K27me3 and expression levels.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated abstract:	Abstract Language Polycomb Group Proteins (PcG) sind eine konservierte Klasse von Transkriptionsrepressoren in Tieren und Pflanzen, die die Expression von hunderten von Genen steuern. Insbesondere unterdrücken sie die Genexpression durch Histon H3 an Lysin-Trimethylierung 27 (H3K27me3) über den Polycomb Repressive Complex 2 (PRC2). In Arabidopsis thaliana ist CURLY LEAF (CLF), eine PRC2-Methyltransferase, teilweise redundant zu dem eng verwandten Protein SWINGER (SWN). Der Phänotyp der clf -Nullmutante ist weniger deutlich ausgeprägt als der Phänotyp der clf/swn-Doppelmutanten. Pflanzen in denen swn mutiert ist zeigen keinen offensichtlichen Phänotyp. Das große Maß an Sequenzkonservierung sowohl bei CLF als auch SWN im ganzen Pflanzenreich legt nahe, dass sie klare und konservierte Funktionen in der Entwicklung von Pflanzen haben. Das Ziel dieser Arbeit ist es die einzelnen Zielgene von CLF und SWN zu identifizieren und ihre Funktionen aufzudecken. Zu diesem Zweck habe ich chromatin immunopräzipitation gefolgt von deep sequencing verwendet um genomweite H3K27me3 Profile des Wildtyps zu erstellen, sowohl für clf - als auch swn-Setzlinge. Die drei Genotypen haben viele H3K27me3 ähnliche Zielregionen, weisen jedoch teilweise unterschiedliche Methylierungsmuster auf. In clf -Nullmutanten ist H3K27me3 deutlich an 643 Genen reduziert, was darauf hinweist, dass bei diesen Genen CLF die zentrale katalytische Komponente von PRC2 ist. Ein Teil der CLF-abhängigen Gene ist signifikant räumlich geclustert entlang der Chromosomen und überraschenderweise enthalten 60 % der CLF-abhängigen Gene eine konservierte AAACCCTA oder telo box, die, wie an anderer Stelle berichtet wurde, die Transkription steigern. Unerwarteter Weise korreliert die Reduktion von H3K27me3 in clf mutierten Pflanzen nicht mit einer Erhöhung der Genexpression. Die swn Mutation kann den selben Effekt haben, der Expression dieser Gene entgegenwirken oder zu ihr beitragen. Darüber hinaus scheint H3K27me3 in swn-Nullmutanten im Vergleich zum Wildtyp an 294 Genen leicht erhöht zu sein. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass das Zusammenspiel zwischen CLF und SWN wichtig sein könnte, um das dem Wildtyp entsprechendes H3K27me3 und Expressionsniveau zu erhalten. Zuletzt kann festgestellt werden, dass sich in swn die Expression einiger von CLF abhängiger Gene stark verändert, obwohl H3K27me3 nicht verändert ist. Dies deutet darauf hin, dass SWN möglicherweise eine von H3K27me3 unabhängige Funktion hat. Zusammenfassend zeigen diese Ergebnisse, dass CLF und SWN teilweise unter schiedliche Auswirkungen auf die H3K27me3-Muster von Arabidopsis thaliana haben und das ihre Funktion verknüpft ist mit dem zugrunde liegenden genetischen Code. SWN könnte die Expression in einem H3K27me3 unabhängigen Pathway kontrollieren. Das Wechselspiel zwischen CLF und SWN ist vermutlich wichtig, um das dem Wildtyp entsprechende H3K27me3- und Expressionsniveau zu erhalten. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Zografou, Theodoros zografou@mpipz.mpg.de UNSPECIFIED UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-53328
Date:	6 May 2013
Language:	English
Faculty:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences
Divisions:	Außeruniversitäre Forschungseinrichtungen > MPI for Plant Breeding Research
Subjects:	Life sciences
Uncontrolled Keywords:	Keywords Language CLF, SWN, Chromatin, Epigenetics, Arabidopsis, Polycomb English
Date of oral exam:	27 June 2013
Referee:	Name Academic Title Coupland, George Prof. Dr. Höcker, Ute Prof. Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/5332